大型装船机防风稳定性计算与改造

2021-07-28徐鹏

矿山机械 2021年7期

徐鹏

秦皇岛港股份有限公司技术设备部河北秦皇岛 066000

装船机是用于散料码头装船时使用的大型散料装卸机械[1]，常用于矿石和煤的运输。其外形高大，结构复杂，迎风面积大[2]，在突发性阵风来临时很容易遭受风力的袭击，因而其结构强度和稳定性就显得尤为重要。一旦装船机出现意外，将直接影响码头的正常生产秩序，同时也给港口企业带来重大的经济损失，甚至还可能造成重大的人员伤亡。秦港 SL2 装船机已经服役超过 20 a，期间经过多次结构改造，配重质量也发生了变化，按照 JT/T 90—2008《港口装卸机械风载荷计算及防风安全要求》和《港口大型机械防阵风防台风管理规定》等文件，需要重新对其进行防风稳定性计算。笔者基于 GB/T 3811—2008《起重机设计规范》和 ISO 5049-1:1994《移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》，对秦港 SL2装船机进行防风稳定性分析计算，根据计算结果提出增设防风拉索的改造方案，并对防风拉索连接座进行了有限元分析。

1 装船机防风稳定性计算

装船机的防风稳定性是指设备在风载作用下的整体抗倾覆能力。在计算过程中，当装船机稳定力矩的代数和大于倾覆力矩的代数和时，则认为整机是稳定的。

1.1 装船机防风稳定性计算依据标准

表1 不同工况下的防风稳定性系数Tab.1 Wind-proof stability coefficient in various operation modes

由 GB/T 3811—2008《起重机设计规范》和 ISO 5049-1:1994 《移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》可知，暴风工况下设备所受的风载最大，为最危险工况，必须对暴风工况下的装船机进行防风稳定性计算。此时装船机为锚定状态，固定臂架俯仰角度为 80°，通过挂钩与人字架相连，伸缩臂架缩入固定臂架内。暴风工况属于工况Ⅲ，根据表 1 可知其防风稳定性系数不小于 1.2。

1.2 装船机防风稳定性计算步骤

装船机防风稳定性的计算步骤如下：首先根据各部件重心计算整机重心，然后计算各部件的风载以及因风载产生的倾覆力矩，最后通过稳定力矩和倾覆力矩的比值来判断在暴风工况下装船机是否会发生倾覆。装船机防风稳定性计算示意如图 1 所示，坐标原点位于陆侧门腿中心，x轴指向海侧，轨距和基距均为 15 m。

图1 装船机防风稳定性计算示意Fig.1 Sketch of calculation of wind-proof stability of ship-loader

已知装船机各部件重量和重心坐标，根据力矩平衡可按下式计算装船机的重心坐标：

式中：xi、yi和zi为装船机部件i的重心坐标；Gi为部件i的重量，i=1，2，…，n。

装船机结构复杂，包含五大部件，分别为俯仰模块、下部模块、上部模块、配重梁和溜筒。其中俯仰模块包含固定臂架、伸缩臂架、机械电气设备和带式输送机等；下部模块包含走行机构、陆侧门腿、海侧门腿、门架梁、机器房、电气室、支撑平台和梯子平台等；上部模块包含塔架结构、司机室和梯子平台等。装船机整机及其部件的重心如表 2 所列。需要说明的是，溜筒和臂架并非刚性连接，需要单独计算，并不包含在整机重量之内。

表2 装船机整机及其部件的重心Tab.2 Center of gravity of ship-loader and its components

暴风工况下，依据 GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，按照下式计算各个部件的风载F：

其中

情境教学应用在教学过程中有着非常好的作用，学生可以通过情境提高代入感，达到更高效的数学学习效果。但是，现阶段情境教学的方法在数学教学中并没有很好发挥出其作用，并且在教师使用这种方法的过程中存在一定的问题。

式中：A为迎风面积；Cf为形状系数；η为遮挡系数；p为风压；ρ为空气密度；v为风速。暴风速度v为 55 m/s，空气密度ρ为 1.25 kg/m3，则此工况下p=1 890.6 Pa。根据各部件所在高度H，可以计算因风载产生的倾覆力矩

暴风工况下装船机风载和倾覆力矩计算如表 3 所列，其中根据风向分为 2 种工况。

表3 暴风工况下装船机风载和倾覆力矩计算Tab.3 Calculation of wind load and overturning moment of ship-loader in violent wind mode

装船机防风稳定性计算如表 4 所列，其中稳定力矩由整机自重产生，由于风向不同会导致倾覆边发生变化，根据装船机重心坐标以及轨距、基距，可计算得出不同的稳定力矩。由于溜筒的重心坐标在门腿范围之外，当倾覆边为AB和BC(见图 1) 时，溜筒重力产生的力矩为稳定力矩；当倾覆边为CD(见图 1)时，溜筒重力产生的力矩为倾覆力矩。在统计稳定力矩和倾覆力矩时分为 3 种工况，稳定性系数为总的稳定力矩与倾覆力矩的比值。

表4 装船机防风稳定性计算Tab.4 Calculation of wind-proof stability of ship-loader

由表 4 可知，该装船机最小稳定性系数为 1.19，接近表 1 中的许用稳定性系数 1.2，但小于该阈值。由此可知，该装船机原设计结构不符合暴风工况下的防风稳定性要求，需要通过改造增大稳定力矩，以提高防风稳定性系数。

2 装船机防风稳定性改造方案

为了提高装船机的防风稳定性，考虑增设防风装置。港口设备的主要防风装置有轮边制动器、防爬铁鞋、防风拉索、夹轨器及锚定器等[3]。防风拉索是一种常用的防风装置，这种装置将起重机与码头连在一起，刮大风时，防风拉索给起重机一个向下垂直力，依赖这个力，起重机得以不翻车[4]。秦港 SL2 装船机在改造过程中选用防风拉索方案，增设 2 根防风拉索，每根防风拉索垂直拉力为 200 kN。增设防风拉索前后稳定性系数对比如表 5 所列。

表5 增设防风拉索前后稳定性系数对比Tab.5 Comparison of stability coefficient before and after addition of wind-proof cable

由表 5 可知，增设防风拉索后，最小防风稳定性系数从 1.19 提高到 1.26，设备稳定性显著提高，满足设计要求。

3 防风拉索连接座有限元分析

装船机防风拉索安装示意如图 2 所示。暴风工况下防风拉索为竖直状态，其余工况下防风拉索挂于走行装置上。增设防风拉索后，需要设计相应的防风拉索连接座，其中单耳板连接座安装在装船机走行装置上，双耳板连接座预埋在码头特定位置。两种连接座均为焊接部件，需要用有限元法分析校核，确保其在垂直力作用下强度满足要求。